区域分布式光伏运行监控系统设计及应用

沈金青，徐光福，黄宏盛，朱 翔

(1.国网浙江嘉善县供电公司，浙江 嘉庆 314100；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

近年来，随着光伏发电在国内的大规模开发和利用，大量的分布式光伏电站接入配电网。分布式光伏电站尽管容量小，但点多面广，大量分布式光伏电站接入电网后，若无法将光伏电站信息上送至电网调度中心，将对电网的稳定运行造成隐患。因此有必要建立分布式光伏发电运行监控系统，对区域内分布式光伏电站发电进行信息采集，实现分布式光伏电站的实时监控，满足光伏发电入网的要求。

实现对分布式光伏电站的监控一般可采用以下2种解决方案。

(1) 方案1。将分布式光伏电站所含信息接入现有的调度自动化系统(energy management system，EMS)或配网自动化系统(distribution management system，DMS)，充分利用现有资源，有利于数据整合应用。

(2) 方案2。建设一套独立的分布式光伏运行监控系统，实现对分布式光伏电站的信息采集和监控，并通过信息交互总线把信息与EMS，DMS以及其他系统共享。

若采用方案1，由于现阶段许多地区分布式光伏电站建设点多面广，接入信息点总数量大，较大的信息量接入会对现有的EMS，DMS系统运行产生压力。又因各个电站先后接入，每一次新站接入都需对现有系统进行配置和数据加载，这对实时性与安全性要求较高的EMS或DMS来说是不利的。另外，由于目前区域分布式光伏监控系统建设还处于研究摸索阶段，因此直接接入EMS，DMS系统并不稳妥。

相比之下，建立一套独立的区域分布式光伏运行监控系统，不仅能够实现对分布式光伏全方位的监控，而且对现有的EMS，DMS系统的运行不造成影响，因此现阶段采取方案2更加适宜。

1 分布式光伏电站信息采集

分布式光伏电站中需要监控的设备包括逆变器、环境监测仪、保护装置、计量电度表、电能质量监测装置。

文献1研制了一种分布式光伏并网接口一体化装置，并在该供电公司投入了应用。该装置集成了分布式光伏发电保护、测控、电能质量监测、运行控制、通信管理、远动、信息安全加密等功能，支持多种通讯方式接入站内设备，与调度端主站通信实时反馈电站信息，接受远程控制公共连接点开关投切及逆变器启停命令。该装置技术高度融合，克服了常规分布式光伏电站设计方案中信息采集系统设备多、投资大、安装困难、运行维护工作量大等问题，因此优先选择分布式光伏并网接口一体化装置实现电站信息的采集与控制。

如图1所示，公共连接点的电压互感器(potential transformer，PT)、电流互感器(current transformer，CT)接入分布式光伏并网接口一体化装置交流采样插件，经过软件测量模块计算得出分布式光伏电站公共连接点处的电压、电流、有功、无功、功率因数、频率、谐波。分布式光伏并网接口一体化装置IO插件连接公共连接点处的断路器及其他开关(如接地刀闸、隔离开关等)跳合闸回路，获得开关的位置及控制开关的分合，当保护动作或收到光伏运行监控主站系统的遥控开关命令时，进行相应的开关分合。

图1 并网分布式光伏信息采集

2 通信方案

2.1 通信介质

分布式光伏电站特点是点多面广，许多区域光纤无法覆盖，结合国家相关标准并根据实际情况，因地制宜，可采取以下几种通信介质。

(1) 对于专用架空线或电缆接入变电站的分布式光伏电站，建议在铺设架空线或电缆的同时铺设光纤接入就近变电站的同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)设备。

(2) 对于分布式光伏电站接入区域具备配网自动化通信网络(如EPON网络)的环境，建议铺设光纤接入就近的配网自动化的通信网络。

(3) 不满足上述情况或380 V接入的kW级分布式光伏电站，从节约成本的角度考虑可以采用无线通信,如GPRS，CDMA等。

2.2 通信协议

目前电站和调度主站之间的远动协议一般为IEC60870-5-101/104。该协议传输的内容单一，只能传输四遥信息，不能传输保护定值、录波、电量、电能质量等综合数据。文献2，3提出了IEC 104扩展IEC 103规约出站方案和IEC 61850出站方案，能够解决综合数据出站问题。

2.3 通信信息安全防护

分布式光伏监控系统传输的信息须遵循电监会《电力二次系统安全防护总体方案》及国家电网公司《配电二次系统安全防护方案》的要求:运行监控主站对分布式光伏并网接口装置下发的控制指令不论采用何种通信模式(以太网、无线)都需要使用基于非对称密钥的加密技术进行单向身份认证；运行监控主站采用基于调度证书的非对称密钥算法实现控制命令及参数设置指令的单向身份认证与报文完整性保护。

3 分布式光伏运行监控主站功能设计

分布式光伏运行监控主站的整个系统共分为5层，其中统一应用支撑平台层(ASP)和电力系统应用软件层在整个体系结构中处于核心地位。统一应用支撑平台层向各种电力应用软件提供统一的模型、通信、数据、画面、管理服务，为各种电力系统软件的集成提供了核心技术支持。

在统一平台的支持下，将数据采集与监视控制(SCADA)、区域分布式光伏功率预测、保护及故障信息管理(DRMS)、电能量计量(TMR)、电能质量监测(PQMS)、分布式光伏发电控制、分布式光伏发电效益分析应用软件模块集成在一起，组成区域光伏运行监控主站系统。统一应用支撑平台层能够支持应用软件模块化功能方便的裁剪和扩展，以适应分布式光伏对主站系统的各种需求的发展。

3.1 SCADA

系统实时在线显示各分布式光伏电站并网断路器、逆变器的启停等开关量的状态以及并网点潮流、发电量等模拟量，记录各开关量的变位和时间顺序记录，模拟量值以可调的存储周期存入历史库中。可在画面上对分布式光伏电站的并网开关和光伏逆变器进行遥控。

系统可按责任分区监视实时生产统计数据、环境参数、电气接线图与参数、设备通信联络与工况、设备参数、并网点参数等信息。

3.2 分布式光伏功率优化调度

3.2.1 区域分布式光伏功率预测

光伏发电出力具有波动性、间歇性的特点，大规模分布式光伏接入区域电网后给电网的调度带来影响，有必要对分布式光伏发电进行功率预测，为EMS系统制定调度计划提供预测数据。由于分布式光伏电站多为屋顶式光伏，数量多但容量小，对每个电站进行功率预测然后作累加，将会面临投资成本高、预测精度低的问题。而若在监控区域内统一建设一套太阳能辐射数值天气预报系统，对区域内所有分布式光伏出力进行统一预测，一方面可减少预测投资成本，另一方面可提高预测精度。具体做法是，按照若干平方千米面积建设一套太阳能辐射监测子站，形成地区级太阳能辐射数值天气预报系统，将地区内各分布式光伏并网点的太阳能输出功率、实时并网太阳能装机容量、辐射强度、温度、风速等量统一上送光伏运行监控主站，经由防火墙传送到光伏功率预测系统，光伏功率预测系统再将预测结果上送至EMS系统。

3.2.2 发电单元控制

分布式光伏发电单元控制软件模块接收调度EMS的有功目标值、电压目标值指令，通过对各分布式光伏发电单元有功、无功的分配、调节以及发电单元的启/停，实现对调度指令的实时跟踪。

3.2.3 发电能效与投资效益分析

结合区域分布式光伏发电总上网电量、国家相应补贴政策、节能减排等要素，对分布式光伏发电经济、社会效益作出分析。分析内容包括以下3个方面：

(1) 基于经济模型的光伏项目投资与收益分析；(2) 基于经济模型的光伏产业发展辅助预测；(3) 结合能效分析进行产业发展和扶持政策的宣传。

本文采用石灰为湖南生产的钙质熟石灰，活性钙镁含量总量达66.93%，属于三级石灰。具体物理化学性质如表1所示。

3.3 DRMS

DRMS接收分布式光伏电站保护、测控装置的定值、压板、测量、运行自检、保护动作事件、告警信息、故障录波文件，能够实时掌握分布式光伏电站防孤岛等保护投入以及动作情况，提高事故分析的效率和准确性。

3.4 TMR

TMR完成区域内所有分布式光伏电能表计量数据读取、存储与处理。所获得的上网电量数据可与营销部门用电信息采集系统进行交互，与用电信息采集系统采集的上网电量进行相互校验，确保数据的准确性。另外上网电量数据也可以发送给政府相关电价补贴机构，作为电价补偿的依据。

3.5 PQMS

PQMS实现对光伏运行并网点各项电能质量指标的在线监测和统计分析，为治理和改善光伏发电并网运行电能质量提供监测手段。

3.6 与其他系统接口

区域分布式光伏运行监控主站应具备与外部系统互联的功能。通过信息交互总线与EMS，DMS、用电信息采集等系统互连，实现分布式电源发电功率、发电量、并网状态等数据交互。

3.6.1 与EMS系统接口

EMS系统和光伏运行监控主站系统使用基于IEC 61970的CIM/XML格式文件进行交互，AGC命令和实时数据采用国际标准IEC60870-5-104或DL476标准通信规约通信。光伏运行监控主站向EMS系统转发本光伏运行监控主站系统下辖的子站相关光伏实时运行监控数据并接收EMS系统AGC，AVC命令，根据调度下发的出力目标值调整光伏系统的输出功率，包括增大、减小发电功率或起停，提高电网运行的经济性和稳定性。

3.6.2 与DMS系统接口

3.6.3 与其他外部系统接口

系统还可根据需求实现与其他电力自动化系统或生产信息管理系统的接口(如TMR，PQMS等)。与其他外部系统的接口方案包括基于专用通信协议的接口方式和基于Web Service接口方式2种方案。可实现分布式光伏运行监控主站与其他外部系统之间所需数据的交换。

3.7 区域分布式光伏运行监控系统整体架构

区域分布式光伏运行监控系统按分层分布式体系结构设计，如图2所示。该监控系统采用3层结构，分别为信息采集层、通讯网络层以及主站层。

第1层为信息采集层。依托分布式光伏并网接口一体化装置实现对分布式光伏电站逆变器、电度表、保护测控、环境等信息的采集，所采集的信息经过通信网络层传送至主站层。

图2 区域分布式光伏运行监控系统架构

第2层为通信网络层。通信网络层为信息采集层与主站层之间的信息收发提供信道，包括无线(GPRS/CDMA等)和光纤混合通信。从信息安全角度考虑，无线通信应启用公网自身提供的安全措施；光纤通信根据现场的条件，可以采用专用光纤接入就近变电站(所)SDH调度数据网或接入配网自动化的通信网络(如EPON网)。

第3层为区域分布式光伏运行监控主站层。由前置机、后台应用服务器、工作站、GPS对时装置、打印机、防火墙、安全隔离装置等设备组成。从功能角度考虑，可划分为前置采集子系统、运行监控子系统、高级应用子系统。各子系统遵循《电力二次系统安全防护总体方案》规定，划分相应的安全网络区域：前置采集子系统与运行监控子系统位于安全I区，高级应用子系统横跨安全I区和II区。在不同网络区域之间采用防火墙或者物理安全装置隔离。系统采用开放式网络，实现与EMS，DMS等系统连接。

4 系统应用

上述所设计的区域分布式光伏运行监控系统已成功应用于该供电公司。

采用有线+无线混合通信技术将43座10 kV、56座380 V分布式光伏电站并网数据上传至区域分布式光伏运行监控系统(如图3所示)，实现企业级光伏电站全采集、全监控。

图3 分布式光伏信息接入网络

为光伏电站量身定制的运行监控系统，能够在电力调度中心远程接受光伏发电并网点安装的一体化装置所上传的所有信息，包括光伏发电量、光照度、电能质量、电压、电流、有功、无功等。调控员通过该系统可查阅光伏电站接线图，实时获取并网点开关投切、逆变器启停等遥信信号及现场故障信息，远程遥控并网点设备隔离光伏电站、调用各类报表，开展光伏发电能力预测等高级应用，全方位对光伏电站进行实时监控，确保光伏发电小电网和系统大电网均可控、在控。

5 结束语

分布式光伏接入电网后，构建一套区域分布式光伏运行监控系统，该系统在某供电公司投入应用后，运行情况良好。保障了大量分布式光伏接入后电网的安全稳定运行，可为各地方分布式光伏发电运行监控系统的建设和运营提供参考。随着分布式发电的不断发展，越来越多的分布式新能源发电接入电网，该系统可以扩展为适应多种分布式新能源发电的运行监控系统。